Являясь общедоступным и легковосстанавливающимся природным ресурсом, известным людям с древних времен, древесина представляет собой универсальное и практичное сырье, из которого человек научился изготавливать огромное количество самых разнообразных вещей, включая полуфабрикаты, готовые изделия и другие продукты.
В мире постоянно появляются технологии и новые методы переработки этого материала, позволяющие использовать его максимально рационально с учетом всех свойств и характеристик. Причем с этой целью используются не только основные части стволов деревьев, но и отходы деревообработки, такие как обрезки, щепа, опилки и т.д.
Основные методы переработки древесины
Для того чтобы древесина стала пригодной для промышленного производства, ей необходимо пройти соответствующую обработку и переработку с использованием специальных технологий и оборудования.
В процессе подготовки к дальнейшему использованию древесина может подвергаться воздействиям различного типа, включая биологическую, механическую и химическую переработку.
Под биологической переработкой древесины принято понимать процесс, в результате которого из сырья низкого качества производятся продукты, использующиеся в различных отраслях народного хозяйства. Это кормовые белковые дрожжи и другие ценные продукты микробиологического синтеза. Кроме того, таким способом из нее вырабатывается этиловый спирт, фурфурол, ксилит.
Механическая переработка представляет собой комплекс операций, направленных на изменение формы и объема исходного сырья без трансформации ее содержания. Чаще всего этот процесс сопровождается разрывом связей между волокнами в результате ее пиления, строгания, фрезерования и других операций.
Химическая переработка заключается в воздействии на древесное сырье химическими соединениями различного типа.
В ее состав входит несколько основных производств:
- Целлюлозно-бумажное (изготовление картона и бумаги);
- Гидролиз;
- Пиролиз (или сухую перегонку);
- Канифольно-скипидарное производство.
Как своими руками можно сделать измельчитель для переработки древесины, расскажет видео:
Заготовка сырья
В качестве исходного материала применяют малопригодную для других нужд древесину, отходы производства, в том числе опилки. Принято выделять несколько групп сырья:
- твердолиственные: бук, береза, ильм, дуб, граб, клен, ясень;
- мягколиственные: липа, ольха, осина, тополь;
- хвойные: лиственница, сосна, кедр, пихта, ель.
Существует строгий производственный регламент, согласно которому все поступающие на перерабатывающие заводы лесоматериалы распиливаются, нарезаются и собираются в кучи определенной ширины и высоты на специальных складах. Их размещают на ровных участках, обеспечивают доступ воздуха и освещения.
Подготовка к пиролизу предполагает предварительное высушивание. Этот процесс может быть затруднен, особенно в случае работы с массивом осины или тополя, которые при повышенной сырости склонны к поражению грибком и развитию гниения.
Сушка производится на проветриваемой территории складов естественным образом. Для ускорения процесса материал раскалывают на мелкие отрезки. Подходящей для дальнейшей обработки считается древесина воздушно-сухого состояния: около 12–15%.
Иногда применяют быструю сушку: массив измельчают, помещают в печи или обдают сухим горячим воздухом.
Пиролиз
Под термином «пиролиз» принято понимать процесс «сухой перегонки», разложения древесины при ее нагревании до 450 градусов в безвоздушном пространстве, с получением жидких, газообразных продуктов и твердого остатка – древесного угля.
Технология пиролиза древесины заключается в последовательном выполнении следующих этапов:
- Разбивку используемого сырья на куски.
- Сушку древесины, подвергшейся разделке.
- Сам процесс пиролиза.
- Охлаждение и стабилизацию угольной массы с целью предотвращения ее воспламенения.
- Конденсацию паров образовавшихся летучих соединений.
В промышленных масштабах этот способ переработки древесины стал практиковаться в 19 веке, причем, для получения конечного продукта, которым в этом случае являлась уксусная кислота, использовалось сырье лиственных пород дерева.
И сегодня пиролиз древесины осуществляется, преимущественно, с использованием древесины лиственных деревьев (например, березы). Гораздо реже, при комплексной переработке, для этого используется сырье хвойных пород. При этом в результате пиролиза березы с влажностью 10-15 %, образуется около 25 % древесного угля, 50 % жидких (так называемая жижка) и около 23 % газообразных продуктов.
Схематичное изображение процесса пиролиза древесины
Полученный древесный уголь сортируется в зависимости от размеров его фракций и отправляется непосредственно к заказчику или идет в дальнейшую переработку. В результате отстаивания жидкого остатка получается смола, из которой вырабатывается большое количество ценных продуктов, в том числе уксусная кислота, метанол, альдегиды, кетоны, сложные эфиры и т.д.
В состав газообразных продуктов, образующихся в результате пиролиза древесины, входят диоксид (45-55% от общей массы), оксид углерода(28-32%), метан (8-21%) и другие углеводороды.
Осуществление процесса в домашних условиях
Технология пиролиза древесины используется как в промышленных масштабах, так и в домашних условиях. Одним из примеров индивидуального использования данного метода переработки древесины является домашняя пиролизная установка, предназначенная для утилизации древесных отходов и получения бесплатной энергии для обогрева теплиц, подсобных помещений и жилых домов.
КПД такого обогревательного прибора, который можно собрать своими руками, составляет порядка 90 %! Он работает на экологически безопасном топливе, отличается экономичностью и практичностью в эксплуатации.
В данном случае, оценивая древесину как источник энергии по общепринятой шкале из пяти баллов, этому материалу можно присвоить «отлично» за доступность, невысокую стоимость и практичность.
Виды процессов разложения
Существует медленный и быстрый пиролиз древесины (МП и БП). Скорость нагрева материала при первом процессе – градусы в мин./ч., при втором температура пиролиза составляет сотни градусов в миллисекунды. МП сравнивается с процессом закипания воды, БП аналогичен моменту попадания воды в уже нагретое вещество (взрывное закипание).
Быстрое нагревание разрушает структуру частиц на молекулярном уровне.
Это возвращает вещество в твердое или газообразное состояние, его первоначальную стадию, позволяя извлечь больше продуктов переработки (синтетические газ, нефть; пирокарбон, энергия тепла).
Преимущества БП:
- Снижает производственные затраты энергии на >30%.
- Получение химически чистых продуктов вследствие малого времени нахождения вещества в условиях высокой температуры. Отсутствует риск материала подвергнуться термообработке вторично.
- Облегчение изменения температуры. Не нужно вмешиваться в устройство конструкции.
- Возможность обработки разных материалов на одной и той же установке.
Чертежи установки быстрого пиролиза древесины подразумевают наличие газогенераторов (печей для термической обработки), охладительных систем и фильтров и прочих составляющих.
Газификация древесины
Одним из вариантов переработки древесины является ее газификация – процесс, заключающийся в превращении твердого сырья в газообразное топливо. В отличие от сгорания, данная технологическая операция производится при ограниченном поступлении воздуха в газогенераторную установку, достаточном только для образования оксида углерода.
Газификация включает два основных процесса: прямой и обращенный. При протекании первого движение газов в газогенераторе происходит в направлении снизу вверх. То есть воздух проходит в установку через специальное отверстие – поддувало, расположенное под колосниковой решеткой, а через верхнюю часть устройства выводятся продукты, полученные в результате газификации.
В установках, работающих по обращенному принципу, движение газов осуществляется в противоположном направлении: сверху вниз. Подвод воздуха производится через отверстие над колосниковой решеткой, а продукты газификации выходят в нижней части генератора.
Основной целью данного типа переработки является получение горючего газа, используемого для получения энергии с одновременной утилизацией отходов лесопереработки. Наиболее распространенными примерами практического применения газификации являются газогенераторные твердотопливные котлы, а также двигатели внутреннего сгорания и т.д.
Принцип работы газогенераторного котла длительного горения «Траян»:
Принцип работы пиролизной печи
Печь для пиролиза состоит из корпуса. Внутри установлена встроенная топка. В нее закладывается древесина или иное сырье для переработки. Когда отсек топки закрыт, воздух внутрь не поступает. Элементы конструкции герметичны – дверь печи закрывается вплотную. В установке работает вентилирующая система для приточно-вытяжных функций.
В условиях пиролиза топливо сгорает медленно. После закладки сырья в отсек оно поджигается. Понадобится время, чтобы разгорелся материал. Затем доступ кислорода перекрывается. Из-за нехватки воздуха горение замедляется, а дрова обугливаются.
В процессе выделяется мощная тепловая энергия. Эффект обусловлен тем, что при низкой концентрации кислорода материал горит медленно. Результатом процесса становится кокс, зола и газ. Горячий газ внутри котла взаимодействует с воздухом и горит при высокой температуре. Эта реакция сопровождается выделением тепла.
Пиролизная установка работает в два этапа:
- Вначале сгорает материал, отправленный в отсек. На этом этапе доступ кислорода заблокирован. Выделяется горючая газовая смесь.
- На второй стадии сгорает смесь выделенного газа с воздухом.
Двухэтапный принцип действия применяют в самодельных пиролизных печах с дожигом газов:
- «Буржуйках»;
- Дровяных печах;
- Генераторах твердотопливного типа.
Отработанные материалы выгружает вращающаяся реторта. Это изделие круглой формы, опускающееся на опору печи.
Гидролиз
Одним из распространенных методов переработки древесины является ее гидролиз, специфический процесс, в ходе которого древесное сырье подвергается воздействию слабыми кислотами. На промышленном производстве реакции гидролиза протекают в специальных устройствах – автоклавах, куда помещается исходное сырье, серная кислота и пар.
В автоклаве создаются определенные условия (повышенная температура и уровень давления), в результате сочетания которых с воздействием кислоты происходит разложение целлюлозы и гемицеллюлозы, являющихся основными компонентами древесины. При протекании этого процесса образуются растворы простых сахаров, в твердом состоянии содержащие лигнин и летучие вещества.
Твердая часть древесины, лигнин, является побочным продуктом данного вида переработки. Она отделяется от массы общего раствора, который направляется в испаритель, где из него выделяются фурфурол, пары уксусной и муравьиной кислот и метилового спирта.
После этого в оставшуюся часть раствора вводится гашеная известь, нейтрализующая серную кислоту, в результате чего происходит образование гипсового шлама и очищенных сахаристых веществ. Данные вещества отправляются на дальнейшую переработку, подвергаясь брожению, после чего из них выделяется этиловый спирт 1,2-1,6%.
Из оставшейся части «бражки» получают барду, использующуюся для производства важнейшего продукта – кормовых дрожжей и выполняющую роль связующего компонента при изготовлении литейных форм и т.д.
Как сделать спирт из опилок
«Строительным» материалом растительных клеток дерева является твердая волокнистая клетчатка (целлюлоза). Ее содержание в растениях доходит до 70%. В клетчатке много полисахаридов, которые при определенном химическом воздействии переходят в глюкозу. Из последней после сбраживания и перегонки получают спирт. Значит, биомасса мелких опилок и древесной стружки из отходов превращается в ценное сырье для производства спирта – этанола или бутанола.
Получение этилового спирта можно реализовать следующими способами:
- Гидролиз измельченной древесной биомассы и последующее сбраживание полученного продукта с дрожжами. Это наиболее распространенный метод переработки опилок.
- Газификация древесины методом пиролиза и дальнейшее сбраживание образованного газа в спирт.
- Синтез газа при пиролизном разложении клетчатки опилок. Затем из газа получают метанол, который в результате реакции гомологенизации преобразуется в этанол.
Оборудование для переработки и измельчения древесины
Для получения конечного продукта из сырья древесного происхождения используется оборудование различных видов, включая:
- Тихоходные измельчители, использующиеся для производства щепы с размерами от 8 до 10 мм.
- Шредеры, служат для измельчения отходов древесины различного размера. В качестве основного элемента в них используются специальные режущие ножи.
- Горизонтальные шредеры. Обрабатывают длинномерные и короткие отходы.
- Брикетировочные прессы. Используются для изготовления брикетов, предназначенных для отопления.
- Силосы. Предназначаются для хранения, перевозки и разгрузки.
Так выглядит стандартный станок, предназначенный для измельчения древесины в щепу
Измельчители
Измельчители древесины представляют собой устройства, основным назначением которых является переработка древесины с дефектами и ее отходов типа горбыля, рейки, а также срезов и веток в щепу технологического назначения.
По типу строения рабочего органа данные агрегаты разделяют на следующие группы:
- Барабанные измельчители. (Включает машины ножевого, резцового и молоткового типа).
- Дисковые.
- Роторные.
По типу загрузки:
- Машины с горизонтальной
- и наклонной загрузкой.
По типу выгрузки:
- С верхней
- и нижней выгрузкой.
По характеру использования:
- Мобильные
- стационарные.
Молотковые дробилки
Молотковой дробилкой называется механическая машина дробильного типа, служащая для разрушения исходного древесного сырья посредством ударов молотков, зафиксированных на роторе, вращающемся с высокой скоростью или разрушения ткани дерева за счет ударов его кусков о плиту корпуса устройства.
Данный агрегат отличается множеством положительных характеристик, включая:
- Универсальность (может работать с отходами любого типа).
- Мощность. (возможна переработка сучьев с диаметром до 46 см).
- Безотходность.
Дробильные машины
Дробильными машинами для древесины принято называть специальное оборудование, использующееся для дробления и измельчения древесины и древесных отходов. Результатом такой переработки является щепа – древесные частицы небольших размеров, использующиеся по различному назначению.
Различают дробилки стационарного и мобильного типа, использующиеся в деревообрабатывающих цехах или на вывозе. Они могут иметь различную мощность, позволяющую этим агрегатам производить конечный продукт различного состава и фракций. Далее щепа используется в качестве топлива или для изготовления других продуктов.
На видео показана работа измельчителя древесины в щепу:
Изготовление пиролизных печей
Решая, как смастерить пиролизную печь своими руками, необходимо учитывать площадь и тип обслуживаемого пространства. Работы выполняются на основе чертежей, для создания которых необходимо определить размеры и форму корпуса, уточнить тип расположения отсека для закладки твердого топлива и камеры дожигания газов.
Материалы и инструменты
Для изготовления металлической установки пиролизного горения следует собрать следующий набор подсобных материалов и инструментов:
- стальные листы толщиной в 3-4 мм марки Ст20,
- уголки стальные 50 мм – 4 шт,
- труба d50,
- арматурные элементы,
- трубы для дымохода d120,
- кирпичи – 15 шт,
- электросварочный аппарат плюс электроды,
- электродрель, болгарка,
- молоток, строительный уровень, рулетка, маркер.
Для изготовления металлической установки пиролизного горения следует не забыть про болгарку
При выборе материалов для самостоятельного изготовления газогенератора стоить отдать предпочтение качественным и надежным ресурсам, от этого зависит эффективность устройства и безопасность эксплуатации.
Чертежи и расчеты
Чертеж изделия можно сделать самостоятельно, взяв за основу изображение выбранного агрегата. Далее, учитывая особенности устройства, проводят расчет необходимой мощности. Для этого сначала определяют требуемую мощность установки в режиме пламенного горения, далее вычисляют параметры при режиме газогенерации.
Утилизация древесины
Одним из важнейших этапов работы деревообрабатывающего производства является переработка отходов древесины. Чаще всего побочные продукты ее производства используются в качестве недорогого источника энергии. Данная отрасль переработки является очень перспективной и активно развивается в настоящее время.
Кроме того, для утилизации древесины используются и другие способы. К ним относятся:
- Производство древесного угля и древесноугольных брикетов.
- Брикетирование отходов деревообработки мелкого размера.
- Газификация.
